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MARINHA DO BRASIL

CENTRO DE INSTRUÇÃO ALMIRANTE GRAÇA ARANHA

ESCOLA DE FORMAÇÃO DE OFICIAIS DA MARINHA MERCANTE

MARINA MELO PEREIRA

A EVOLUÇÃO DOS NAVIOS MERCANTES QUANTO À HIDRODINÂMICA

RIO DE JANEIRO

2014

MARINHA DO BRASIL

CENTRO DE INSTRUÇÃO ALMIRANTE GRAÇA ARANHA

CURSO DE FORMAÇÃO DE OFICIAIS DA MARINHA MERCANTE

BRUNA GALLIPOLI DILÉO

SISTEMAS DE PROPULSÃO ELÉTRICA

MARINA MELO PEREIRA


Trabalho de conclusão de curso apresentado como

exigência para obtenção do título de Bacharel em

Ciências Náuticas do Curso de Formação de Oficiais

de Náutica da Marinha Mercante, ministrado pelo

Centro de Instrução Almirante Graça Aranha.

Orientador: Profº HERMANN REGAZZI GERK

RIO DE JANEIRO

2014

MARINA MELO PEREIRA


Trabalho de conclusão de curso apresentado como

exigência para obtenção do título de Bacharel em

Ciências Náuticas do Curso de Formação de Oficiais

da Marinha Mercante, ministrado pelo Centro de

Instrução Almirante Graça Aranha.

Data da Aprovação: ____/____/____

Orientador (a): Professor HERMANN REGAZZI GERK

_________________________

Assinatura do Orientador

NOTA FINAL:____________

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus por me guiar, inspirar e iluminar meu caminho, permitindo que eu

chegasse até aqui depois de percorrer uma longa jornada de estudo e dedicação antes mesmo

de ingressar na EFOMM. Agradeço a minha mãe Clecí por ter sempre me ajudado e estado ao

meu lado nos momentos difíceis e ao meu namorado Philipe pelo apoio com esta monografia

e por ter acreditado em mim.

"Os que descem ao mar em navios, e os que fazem

comércio nas grandes águas, esses vêem as obras do

Senhor e as suas maravilhas nas profundezas”

(Salmo 107:23 e 24)

RESUMO

Esse trabalho tem como objetivo demonstrar a evolução dos navios mercantes desde a

antiguidade, ou seja desde que o homem descobriu que um tronco de árvore poderia ser usado

para deslocar pessoas e objetos na água, até os dias atuais. Será analisado os diversos aspectos

do navio e a hidrodinâmica envolvida nestes. Serão abordados as características dos navios

primitivos e os modernos quanto ao formato do casco, à propulsão empregada, o design, os

materiais utilizados na sua construção dentre outros. Novas tecnologias serão mostradas,

como aquelas aplicadas aos cascos de navios quebra-gelo. O naufrágio do Titanic também

será abordado, não só pela importância histórica do fato, mas também para atentar quanto à

evolução da construção naval em 100 anos e a hidrodinâmica envolvida no acidente.

Palavras-chave: evolução, casco, hidrodinâmica, propulsor, antiguidade, design, materiais,

eficiência, desenvolvimento

ABSTRACT

This search has the goal of showing the merchant Ship´s evolution from its beginnings, when

men discovered that a wood could be used to transport people and objects through water, until

today. It will be analysed several aspects of the ship and its dynamics involved in it. It will be

coment about the ancient ships’ characteristics and modern ships in relation to hull shape, the

propulsion, design, materials used in its building and others. Modern technologies will be

talked about, as icebreakers’ hull technologies. The sinking of Titanic will be talked too, not

only by the historic importance, but also aware about evolution of shipbuilding in 100 years

and dynamic involved in the accident.

Key-words: evolution, hull, dynamics, propulsion, ancient, design, materials, efficiency,

development

LISTA DE FIGURAS

Figura 1-: Embarcação romana 14

Figura 2: Navio Viking 14

Figura 3: Forma Típica de Carena de Deslocamento de Baixa Velocidade 16

Figura 4: Forma Típica de Carena de Deslocamento de Alta Velocidade 16

Figura 5: Forma Típica de Carena Planante (Series 62) 17

Figura 6: Carenas planares com aresta dupla 17

Figura 7: Aerobarco 19

Figura 8: Hidrofólio 19

Figura 9: Catamaran 20

Figura 10: Trimaran 21

Figura 11: SWAT 21

Figura 12: Coeficientes de secção a meio navio 22

Figura 13: Contorno de Popa 23

Figura 14: Bulbo Original 25

Figura 15: Bulbo Otimizado 25

Figura 16: Antes do uso do CFD 25

Figura 17 Após o uso do CFD 25

Figura 18 Resistência do Casco 26

Figura 19 Bulbo e a resistência de ondas 27

Figura 20 Navio X-Bow 29

Figura 21 Navio Quebra-Gelo 31

Figura 22 Navio com casco côncavo 32

Figura 23 Casco reto e inclinado num ângulo perfeito 32

Figura 24 Embarcação romana de junco 34

Figura 25 Casco Compósito 35

Figura 26 Casco de Aço 35

Figura 27 Casco com rebites 35

Figura 28 Soldagem do Casco 35

Figura 29 Navio Great Eastern com roda de paletas a meia nau 38

Figura 30 Gráfico relacionando a potência,torque e eficiência 40

Figura 31 Redução de poluentes com a propulsão elétrica 41

Figura 32 Propulsores Schottel 43

Figura 33 Propulsor Voith Schneider 44

Figura 34 A hidrodinâmica do Tubo KortTM

46

Figura 35 Tunnel Thrusters 47

Figura 36 Propulsor com jato de água 47

Figura 37 Casco rebitado do Titanic 49

Figura 38 Leme do Titanic 49

Figura 39 Perfis de leme 50

Figura 40 Razão de aspecto e ângulo de STALL 51

Figura 41 Secções NACA 0015 51

Figura 42 FoilSlim Simulator 52

Figura 43 Tipos de Flap 53

Figura 44 Slats e Flaps 53

SUMÁRIO

1INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 10

2 DESIGN DO NAVIO .......................................................................................................... 11

3 EVOLUÇÃO QUANTO AO FORMATO DO CASCO ................................................... 12

3.1 Antiguidade ....................................................................................................................... 12

3.2 Atualmente ........................................................................................................................ 13

3.2.1 A forma do casco adotada deve satisfazer um conjunto de requisitos: ........................... 14

3.2.2 Classificação da Carena..........................................................................................14

3.2.2.1 Quanto ao tipo de sustentação.............................................................................15

3.2.2.2 Quanto à forma do casco....................................................................................15

3.2.2.1 Quanto ao tipo de sustentação............................................................................15

3.2.2.2 Quanto à forma do casco.................................................................................18

3.2.2.2.1 Multi-casco......................................................................................................18

3.2.3 Coeficientes de Forma..........................................................................................21

3.2.3.1 Coeficiente de secção a meio navio (Cm) .......................................................21

3.2.3.2 Coeficiente da área de flutuação (CW) ............................................................21

3.2.3.2 Coeficiente da área de flutuação (CW).............................................................21

3.2.3.3 Coeficiente de Bloco (CB)..................................................................................21

3.2.3.4 Coeficiente Prismático (Cp)..............................................................................22

3.2.4 Contorno de Popa................................................................................................22

3.2.5 Otimização da Forma do Casco.........................................................................23

3.2.5.1 Através da relação entre as dimensões do casco................................................23

3.2.5.2 Pela otimização das linhas do casco...................................................................23

3.2.5.3 Minimizando as Resistências.............................................................................23.

3.2.5.1 Através da relação entre as dimensões do casco...........................................23

3.2.5.3 Minimizando as Resistências...........................................................................24

3.2.4 Novas Tecnologias utilizadas para forma do casco...........................................28

3.2.4.1 Tecnologia “X-Bow”.........................................................................................28

3.2.4.2 Navio Quebra-Gelo............................................................................................30

4 EVOLUÇÃO QUANTO AOS MATERIAIS UTILIZADOS.................................33

4.1 Antiguidade..............................................................................................................33

4.2 Atualmente...............................................................................................................34

5 EVOLUÇÃO QUANTO À PROPULSÃO.............................................................36

5.1 Antiguidade.............................................................................................................36

5.2 Atualmente...............................................................................................................37

5.3 Comparação entre a propulsão elétrica e propulsão mecânica...........................38

5.4 Vantagens da Propulsão elétrica............................................................................38

5.5 Tipos de hélice..........................................................................................................41

5.6 Sistemas Propulsores...............................................................................................41

5.6.1 AzipodsTM

..............................................................................................................41

5.6.2 Siemens SchottelTM

...............................................................................................42

5.6.3 Voith Schneider™……………………………………………………………….43

5.6.4 Tubo KortTM

..........................................................................................................44

5.6.5 Tunnel Thrusters………………………………………………………………...45

5.6.6 Propulsor com jato de água...................................................................................46

6 A HIDRODINÂMICA DO NAUFRÁGIO DO TITANIC......................................47

6.1 Casco........................................................................................................................47

6.2 Leme.........................................................................................................................48

6.2.1Perfil do Leme........................................................................................................49

6.2.2 Flaps......................................................................................................................51

6.2.3 Slats.......................................................................................................................52

6.3 Velocidade................................................................................................................53

7CONSIDERAÇÕES FINAIS......................................................................................54

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................55

11

1 INTRODUÇÃO

A navegação começa na pré-história, no momento em que o homem descobriu que

um tronco de árvore ao flutuar na água poderia lhe ser útil para deslocar-se ou para transportar

objetos. Não levou muito tempo para compreender que, unindo esses troncos (formando assim

uma jangada), ou com ajuda de uma vara ou um remo, lhe seria mais fácil navegar. Ou ainda,

cavando um tronco, dando-lhe um formato, percebeu rapidamente que isto lhe proporcionaria

melhor controle do rumo e mais resistência. A partir de então, foi aumentando o seu tamanho

e acrescentando tecnologias até chegar ao “navio”.

Atualmente o principal objetivo de um navio mercante é obter lucro com o comércio

marítimo, portanto a eficiência e consequentemente a economia é de suma importância ao se

projetar um navio. O armador requer que o navio que ele irá possuir lhe forneça o melhor

retorno possível para o seu investimento inicial e demais custos decorrentes da construção.

A evolução dos navios pode ser observada no formato do casco, que são projetados

objetivando minimizar as componentes da resistência ao avanço, através da relação entre as

dimensões do casco, da análise dos coeficientes de forma e através do uso de recursos como o

bulbo de proa.

Os materiais empregados na construção naval foram sendo aperfeiçoados ao longo

dos anos, de maneira que pudessem resistir aos constantes esforços, que tornasse o navio mais

leve ou ainda que diminuísse a viscosidade no casco.

Os sistemas de propulsão evoluíram do remo, vela e roda de paletas para o hélice,

que foi sendo gradativamente desenvolvido e incrementado, aumentando a eficiência da

embarcação, consumindo menos combustível e poluindo menos. Os sistemas de propulsão

modernos conferem maior manobrabilidade e resposta rápida à mudança de direção.

O naufrágio do Titanic também será analisado neste trabalho, objetivando estudar a

hidrodinâmica envolvida e acompanhar as mudanças ocorridas nas embarcações 100 anos

após o acidente.

12

2 DESIGN DO NAVIO

Na construção de um navio mercante, ao se realizar o projeto deste, o design final

deve levar em conta não somente considerações econômicas atuais como também aquelas que

provavelmente irão surgir durante a vida do navio. Esse é especialmente o caso de alguns

tipos de navio como o LNG, na qual o navio é esperado navegar a mesma rota por toda a sua

vida útil. Design para operação é o resultado. Para outros navios, incluindo graneleiros, o

primeiro custo do navio é o principal fator para o armador e o navio deve ser designado de

acordo com a sua finalidade, ou seja dependendo do tipo de carga que irá carregar ou da

operação que fará.

Com o auxílio de computadores é possível fazer um estudo de um grande número de

parâmetros de design e chegar a um modelo de navio que além de tecnicamente viável, seja

principalmente o mais eficiente economicamente. Preferencialmente, este design deverá levar

em consideração o custo inicial, o custo de operação e manutenções futuras.

O design inicial do navio geralmente procede através de três etapas: a concepção, a

preliminária e o design de contrato.

13

3 EVOLUÇÃO QUANTO AO FORMATO DO CASCO

3.1 Antiguidade

No Império Antigo o formato clássico do casco dos barcos egípcios era a proa com

forma de cabeça de animal, posteriormente a popa passou a ser mais alta. Até o Império Novo

estes não possuíam quilha. Os navios egípcios foram os primeiros navios mercantes, cujo

formato arquitetônico foi chamado de “redondo”. O navio mercante “redondo” foi

desenvolvido para transportar um grande volume de mercadorias, este possuía um grande e

forte calado. Posteriormente, a popa passou a ser mais alta do que a proa pois o mecanismo de

direção era acionado por um timoneiro em pé.

Os fenícios adotaram os modelos do barcos cretenses e egípcios, eram curtos,

robustos, amplos e largos, as amuradas altas em forma de grades protegiam a tripulação das

ondas que quebravam sobre o barco, na proa e na popa. Com o passar do tempo, surgiram as

galeras gregas usadas para o transporte de carga, tinham cascos curtos e largos e carregavam

até 250 toneladas.

Os navios Vikings, conhecidos como “drakkas” eram de sólida construção, de

tamanho médio, sua popa e proa formavam ângulos quase retos com a quilha, esta de formato

pontiagudo e mais longa que as galeras. O casco era construído com tábuas finas, de calado

baixo. Devido a essas características, eram estáveis, fáceis de manejar e mais velozes que as

galeras.

Os venezianos, devido à ataques de piratas, desenvolveram um tipo de navio que

combinava as características das galeras de guerra com os redondos de comércio. Eram navios

cujo comprimento era três vezes a largura, mais estáveis que as galeras, porém mais

compridos, mais baixos e mais leves e, consequentemente mais rápidos do que os pesados

navios redondos, estes foram chamados de galeões.

Os portugueses utilizaram dois tipos de navio: a carraça e a caravela. A primeira,

denominada de naus, era um navio de grande porte e a segunda era uma versão menor da

carraca porém com perfil mais esguio e de linhas mais finas das obras vivas.

No século XVIII, diversas modificações importantes forma introduzidas graças ao

estudo da influência do vento e da resistência da água. Assim, o casco passou a ser de tábuas

duplas. A quilha passou a ter novos perfis, passando a ser forrada com lâminas de cobre para

14

protegê-la contra a ação das plantas aquáticas e, ao mesmo tempo, aumentar a velocidade pela

diminuição da resistência.

O esporão, estrutura utilizada em navios de guerra do final do séc. XIX, deu origem

ao bulbo de proa utilizado atualmente para amenizar a resistência de onda.

Figura 1: Embarcação romana Figura 2: Navio Viking

Fonte: Konijnenburg (1926) Fonte: Francisco Diocélio Alencar de Oliveira (2007)

3.2 Atualmente

Para projetar a forma de um casco, deve-se levar em conta a função que este vai

desempenhar (o que determina o volume do espaço fechado de que se necessita, a disposição

dos motores e do equipamento dentro dele, e questões relacionadas com a sua flutuabilidade),

e sua velocidade, que é diminuída pela resistência ao avanço que atua sobre ele quando se

desloca sobre a água. Para que um barco possa flutuar, a parte que se encontra sob a água

deve ter uma densidade menor que a água que desloca. Apesar de os cascos finos serem

melhores para atravessar ondas, ocupam volumes relativamente pequenos. Se esse barco

transportar uma carga pesada, poderá se afundar nas águas do mar.

Os desenhos dos cascos variam desde os iates de competição estreitos e leves,

construídos especialmente para movimentar-se com grande velocidade, até enormes

petroleiros projetados para transportar carga máxima da maneira mais econômica possível. Os

cascos com frequência incorporam tabiques que o dividem em volumes menores. Isso ajuda a

manter a carga bem distribuída na embarcação e também evita inundação no casco caso este

se rompesse. Recentemente, projetos de cascos múltiplos desenvolvidos para iates como os

15

catamaras e os trimaras foram utilizados por buques de passageiros. Seu desenho reduz a

resistência ao avanço, permitindo que estas embarcações desenvolvam grandes velocidades.

Um superpetroleiro é estreito acima da água para reduzir a resistência ao avanço,

mas possui uma curvatura na parte inferior para aumentar a capacidade de armazenamento e

flutuação.

3.2.1 A forma do casco adotada deve satisfazer um conjunto de requisitos:

•Capacidade

– Volume

– Deslocamento

• Estabilidade

– Intacta

– Em Avaria

• Hidrodinâmica

– Velocidade de serviço (carga / lastro)

– Comportamento no mar

– Manobrabilidade

• Funcionalidade

• Estéticos

– Forma agradável

3.2.2 Classificação da Carena

3.2.2.1 Quanto ao tipo de sustentação:

• Carenas de Deslocamento

• Carenas Planantes

• Semi-Planantes

• Hidrofoil

16

3.2.2.2 Quanto à forma do casco:

• Monocasco

• Multi-casco

– Catamaran

– Trimaran

– SWATH

3.2.2.1 Quanto ao tipo de sustentação

Carenas de Deslocamento

Geralmente com o fundo redondo e com uma velocidade máxima de deslocamento

que é determinada pelo comprimento na linha de água.

Quanto maior for o comprimento na linha de água maior é a velocidade da carena no

modo de deslocamento.

Na sua velocidade de deslocamento, a carena mantém-se imersa na sua totalidade.

Figura 3: Forma Típica de Carena de Deslocamento de Baixa Velocidade

Fonte:Ventura (2012)

Figura 4: Forma Típica de Carena de Deslocamento de Alta Velocidade (Series 64)

Fonte:Ventura ( 2012)

17

Carenas Planares

Carenas cuja forma é caracterizada por uma forte descontinuidade ao longo do fundo,

que pode ser plano ou em V.

A descontinuidade tem a forma de uma aresta bem vincada (hard chine).

O objetivo é que a embarcação plane em duas pequenas áreas e assim a superfície

molhada pode ser reduzida em 60% ou mais.

Figura 5: Forma Típica de Carena Planante (Series 62)


Carenas Planares com aresta dupla

Existem também carenas planares com duas arestas.

Figura 6: Carenas planares com aresta dupla

Fonte: Ventura (2012)

18

Carenas Semi-Plamares

Algumas carenas de deslocamento quando submetidas a potências mais elevadas

podem adquirir velocidades superiores à sua velocidade de deslocamento.

Nestas condições, a proa eleva-se acima da linha de água à medida que a velocidade

aumenta e diz-se que a carena é semi-planante.

Existem dois tipos principais:

– Com boca estreita e encolamento circular (Nelson-style)

– Com arestas acentuadas (hard-chine)

Hidrofólio e Aerobarcos

Muitos poucos barcos viajam a mais de 55km/h, por causa da resistência ao avanço

de seus cascos quando transitam sobre a água, que é aproximadamente 800 vezes mais densa

que o ar. Ao viajar sobre um colchão de ar, os aerodeslizadores resolvem o problema da

lentidão que a água impõe. Já os hidrofólios minimizam o contato com a água utilizando

superfícies em forma de asa para elevar seus cascos fora dela quando viajam em alta

velocidade.

Num aerodeslizador, grandes ventiladores criam uma corrente de ar descendente

através de orifícios de ventilação localizados ao longo da borda externa da embarcação. Este

ar é preso por um rebordo de borracha flexível e se acumula sob o veículo, empurrando-o para

cima. Ventiladores na parte traseira, acionados por motores, geram uma força propulsora que

impulsiona a embarcação para frente.

Já o Hidrofólio, possui lâminas em forma de asa localizadas sob o nível da água que

permite obter um impulso que, a velocidades elevadas permite ao casco elevar-se acima da

água reduzindo a resistência. O primeiro hidrofólio foi projetado pelo italiano Forlanini em

1906.

Existem dois tipos principais de hidrofólio: os perfuradores de superfície e os

completamente submersos, que utilizam diferentes métodos para evitar que o casco do veículo

choque contra as ondas enquanto viaja velozmente. Os submersos usam sistemas de sonares

para determinar a altura das ondas e modificar o ângulo das lâminas a fim de ajustar o nível

de elevação e assim manter constante a altura do bote sobre a superfície. O perfurador de

19

superfície produz maior elevação na água que no ar. Quando o bote atravessa uma onda, uma

porção maior da lâmina em forma de V fica coberta por água. Isto cria mais elevação e

levanta o casco sobre o topo da onda.

Figura7:Aerobarco


Figura 8: Hidrofólio


3.2.2.2) Quanto à forma do casco:

3.2.2.2.1)Multi-casco

Catamaran

Tipos de Carena:

• Carena em Túnel

• Carenas de Deslocamento

• Carenas Planantes

20

Figura 9: Catamaran


Tipos de carena Catamaran:

Carenas em Túnel

– Força de sustentação (lift)

– Alta velocidade

– Elevada potência

– Mau comportamento em ondas devido ao fundo plano

Carenas de Deslocamento

– Impulsão

– Superfície molhada, resistência de atrito

– Velocidade máxima limitada

– Sujeitas a slamming

21

Trimaran

Figura 10: Trimaran


SWAT

Figura 11: SWAT

Fonte: Ventura ( 2012)

22

3.2.3 Coeficientes de Forma

3.2.3.1 Coeficiente de secção a meio navio (Cm)

Cm =

Figura 12: Coeficientes de secção a meio navio

Fonte:Ventura

(2012)

3.2.3.2 Coeficiente da área de flutuação (CW)

Cw =

3.2.3.3 Coeficiente de Bloco (CB)

Um navio que tenha um coeficiente de bloco pequeno é considerado como “fino”.

Em geral, navios de alta velocidade têm pequenos coeficientes de bloco. Um coeficiente da

área de flutuação alto em combinação com um coeficiente de bloco baixo é favorável à

estabilidade em ambas as direções, transversal e longitudinal.

Cb =

23

3.2.3.4 Coeficiente Prismático (Cp)

Este coeficiente é importante para a resistência e portanto para mensurar a força

necessária de propulsão. Se o Cp diminui, a força de propulsão necessária também se torna

menor.

O valor máximo alcançado de todos estes coeficientes é 1, no caso do casco ter

formato de caixa retangular e o valor mínimo é teoricamente 0.

Cp =

=

3.2.4 Contorno de Popa

A figura representa algumas das evoluções das linhas da popa, desde a popa em colher (1) à

popa em painel (2).

Figura 13: Contorno de Popa


24

A forma do contorno tem evoluído desde as soluções com cadaste (stern post) até ao

bolbo de popa que se encontra em muitos navio recentes.

Em navios com propulsão POD a forma da popa torna-se bastante mais simplificada.

3.2.5 Otimização da Forma do Casco:

3.2.5.1)Através da relação entre as dimensões do casco;

3.2.5.2)Pela otimização das linhas do casco;

3.2.5.3)Minimizando as Resistências

3.2.5.1) Através da relação entre as dimensões do casco

Principais Dimensões:

Comprimento Total (LOA)

Boca (B)

Calado (H)

Coeficiente de Bloco (Cb)

Aumentando a razão LOA/B ou um aumento do comprimento e reduzindo o Cb pode

proporcionar a redução do consumo de combustível para propulsão de até 3 a 5%, ou seja

resulta na melhora da eficiência do casco. Em relação ao custo com a construção, o

comprimento é a dimensão mais cara.

Uma maior razão comprimento/boca tende a diminuir a resistência de ondas,

enquanto ao reduzir a razão boca/calado tende a diminuir a carena e desta forma a resistência

de superfície.

3.2.5.2) Pela otimização das linhas do casco

Redução da resistência de ondas através do Bulbo de Proa Otimizado.

25

Figura 14: Bulbo Original Figura 15: Bulbo Otimizado

Fonte: Dokkum (2008) Fonte: Dokkum (2008)

Na Popa: Uso de CFD (Computacional Fluid Dynamics).

Figura 16: Antes do uso do CFD Figura 17: Após o uso do CFD

Fonte: Dokkum (2008) Fonte: Dokkum (2008)

3.2.5.3) Minimizando as Resistências

Componentes da resistência ao avanço (Arrasto):

Resistência ao vento;

Resistência Viscosa;

Resistência dos apêndices;

Resistência de ondas

26

Componentes da resistência do casco em águas calmas no calado de projeto:

Figura18: Resistência do casco

Fonte: Ventura ( 2012)

Coeficiente de Arrasto:

D= Arrasto

D = CD 1/2 p v2S

Resistência Viscosa

É composta pela resistência de superfície, devido à esforços cisalhantes e pela

resistência de forma que se dá pela distribuição das pressões ao longo do casco. A resistência

viscosa (superfície) é a maior componente entre as resistências ao avanço.

A resistência de superfície ocorre na região do escoamento adjacente à fronteira

sólida, onde ocorre o efeito da viscosidade do fluido (atrito fluido) que afeta a velocidade de

escoamento, essa região é denominada camada limite (boundary layer).

Resistência dos apêndices

Para navios de carga em condição de águas calmas, a resistência de apêndices é em

torno de 2 a 3%. Aproximadamente, metade da resistência é atribuída ao leme e a outra parte

para as bolinas no bojo. A influência do leme pode aumentar substancialmente em condições

severas de mar ou para navios direccionalmente instáveis.

27

Resistência de ondas

O bulbo de proa é o recurso utilizado mais eficiente pra minimizar a resistência de

ondas. Este gera um tem de ondas defasado de meio comprimento de onda em relação as

ondas de proa. Como resultado disto tem-se uma interferência destrutiva entre elas,

suavizando as ondas resultantes e, consequentemente, economizando o combustível da

embarcação. O comprimento do bolbo define a fase de interferência e o seu volume determina

a largura do seu sistema de ondas.

Figura 19: Bulbo e a resistência de ondas

Fonte: Dokkum (2008)

Vantagens do bulbo de proa:

Reduz a onda de proa, devido à onda gerada pelo próprio bolbo, tornando o

navio mais eficiente em termos energéticos;

Aumenta o comprimento do navio na flutuação, aumentando ligeiramente a

velocidade do navio, reduzindo os requisitos de potência instalada e portanto

o consumo de combustível;

Funciona como um "para-choques" robusto em caso de colisão;

Permite a instalação mais a vante do impulsor de proa, tornando-o mais

eficiente;

Permite maior reserva de flutuação ou maior capacidade de lastro a vante;

Reduz o movimento de cabeceio (pitching)

28

Desvantagem do bulbo de proa:

De acordo com Lewis (1989), a adição do bulbo às obras vivas da embarcação

contribui negativamente na resistência friccional ao aumentar a área molhada ao casco. O que

se obtém, ao final, é um ganho relativamente pequeno uma vez que ao reduzir-se a

componente de ondas da resistência acaba-se por aumentar a componente friccional, e ao

mesmo tempo uma grande complicação na construção das seções de vante da embarcação.

Aspectos do projeto do bulbo:

O bolbo nunca deve emergir completamente. O ponto da extremidade mais a vante

deve ficar ao nível da linha de água;

Distribuição do volume do bolbo:

Demasiada imersão não produz efeito

Volume concentrado longitudinalmente perto da superfície livre aumenta o

efeito de interferência nas ondas

O bolbo é vantajoso em navegação no gelo – os pedaços de gelo deslizam ao longo do bolbo

com o seu lado “molhado” que tem coeficiente de atrito inferior

Relação do bulbo de proa com o número de Froud:

Número de Froud:

Fr =

Normalmente a velocidades baixas o efeito do bolbo é negativo. Quando o número

de Froude (Fr) aumenta o seu efeito torna-se positivo e aumenta até um valor máximo. Deste

ponto para cima, quando o Fr tende para infinito, o efeito do bolbo tende para zero.

29

Quando Fr é pequeno, ou seja, aproximadamente 0,16, o navio não precisa de bulbo.

3.2.4 Novas Tecnologias utilizadas para forma do casco:

3.2.4.1 Tecnologia “X-Bow”

Figura 20: navio x-bow

Fonte: Dokkum ( 2008)

A nova proa concebida pela Ulstein promove as vantagens similares àquelas

proporcionadas pela proa bulbosa sem o incremento à resistência friccional, promovendo um

ganho final superior e uma construção mais simples das seções de vante.

No Brasil, já existem três embarcações tipo X-BOW construídas, todas pelo estaleiro

Aliança para a CBO.

Benefícios:

1)Quanto à eficiência e meio ambiente

Maior velocidade de transito

O resultado obtido no tanque de provas de Marin na Holanda, mostra que há uma

melhoria de “perda de velocidade” em estado do mar com ondas entre 2,5 e 10 metros de

19%;

30

Menor consumo de energia;

Melhor eficiência de combustível;

A economia de combustível é obtida primordialmente pela redução da componente

de geração de ondas da resistência, pois possui uma proa contínua e afiada que divide

suavemente as ondas e o mar calmo. O aumento de volume acima e na frente permite que a

embarcação responda com eficiência à grandes ondas, diferentemente de uma proa

convencional, que empurra as ondas para baixo e para vante, retardando o avanço da

embarcação.

O teste no tanque de provas de Marin na Holanda mostrou que dependendo do estado

do mar e da velocidade da embarcação, o teste mostra uma redução de consumo de

combustível entre 7 e 16%;

Redução das emissões;

Aumento do tempo operacional;

2) Quanto à segurança e conforto:

Eliminação de batida e impactos de proa;

Entrada suave nas ondas;

Menos borrifo;

Menores níveis de aceleração vertical;

Nível de vibração reduzido;

Aumento do conforto e do descanso da tripulação

Devido ao fato de não existir batidas de proa, e também devido aos níveis de aceleração serem

menores;

Área de trabalho mais segura devido a movimentos mais suaves e proteção fornecida

pelo casco.

Desvantagem:

A proa fechada observada nas embarcações com proa “X-Bow” dificulta as

manobras de atracação por dificultar a passagem das retinidas. Há também questionamento

quanto à capacidade deste novo tipo de proa de evitar que o mar espalhado pela proa do navio

atrapalhe a visão do navegante.

31

3.2.4.2 Navio Quebra-Gelo

Figura 21: Navio Quebra-Gelo

Fonte: National Geographic, (2010)

Esses navios utilizam o casco não para cortar o gelo e sim o seu peso para quebrá-lo.

A proa é projetada para subir no gelo, quebrá-lo e jogá-lo para baixo da quilha onde será

triturado pelo propulsor azimutal.

O documentário “Gigantes da Engenharia” da National Geographic sobre navios

quebra-gelo, mostra as invenções quanto ao casco de navios quebra-gelo.

Estas serão demonstradas a seguir:

1)Casco Côncavo

No passado os cascos eram afiados e retos para que cortassem o gelo como uma faca,

porém se batessem em uma calota ficariam presos, além de que gelo poderia danificar o

casco. Em 1871, o engenheiro Carl Ferdinand Stelzner criou um projeto de casco côncavo

como uma colher. Assim, o navio conseguiria deslizar em cima do gelo.

32

Figura 22: Navio com casco côncavo

Fonte:National Geographic (2010)

2) Navio Petroleiro

Um outro design para casco foi projetado para um petroleiro Finlandês, em que o

casco era reto e inclinado em um ângulo perfeito para quebrar o gelo, não importando o

quanto de petróleo estivesse carregando. Foi utilizado esse formato de casco também no navio

Lenin, o primeiro quebra-gelo movido a energia nuclear, que podia navegar de 3 a 4 anos sem

recarregar seus reatores nucleares.

Figura 23: Casco reto e inclinado num ângulo perfeito

Fonte: National Geographic (2010)

33

3) Navio Manhattan

Seu casco era reforçado com pesadas ligas internas de aço pra torná-lo ainda mais

rígido e também uma cinta de aço passada nas laterais para desviar o gelo das laterais. Em

1969, o navio Manhattan foi transformado no navio mercante mais blindado da época, mas

ficou preso devido ao atrito com o gelo. Isto advertiu os construtores navais quanto ao fato de

que era possível quebrar gelo e transportar carga porém não ambos.

4) Navio Pollarstern

O engenheiros alemães utilizam uma tecnologia contra o atrito com o gelo em que o

navio suga a água do mar através de um buraco em seu casco, a água se mistura com o ar e

então passa em bicos diretamente abaixo da quilha. A mistura borbulhante forma uma camada

escorregadia entre o casco e o gelo, na qual o gelo não se prende.

5) Navio Sovcom

Esse navio petroleiro para manter a carga segura, envolve o casco com mais de 100

costelas de aço, que absorvem o impacto com o gelo. Além disso, utiliza propulsão a jatos de

água e propulsores azimutais.

34

4 EVOLUÇÃO QUANTO AOS MATERIAIS UTILIZADOS

4.1 Antiguidade

As embarcações da antiguidade eram construídas com materiais rudimentares. As

jangadas egípcias eram feitas com caules de papiro atados (sepy) por cordas de linho. Por isso

tinham vida curta, mas sua substituição era fácil e barata. Já no Império Antigo o principal

material de construção naval foi a madeira. Os cascos dos barcos egípcios eram constituídos

de tábuas de madeira curtas para o tamanho do casco, característica essa que dificultada a

navegação em mares revoltos, pois as junções não resistiam aos esforços a que eram

submetidas. Por essa razão, os marinheiros envolviam a embarcação na proa e na popa com

cabos ligados ao convés por outro cabo fixo, denominado “cabo tensor”. Este cabo, torcido

com algumas barras, dava ao casco tensão tal que o navio era capaz de navegar em águas mais

revoltas próximas da costa.

No fim do século XIX, os cascos dos navios passaram a ser construídos em chapas

de aço rebitadas. Estes navios eram pesados e desajeitados, faziam água com frequência.

Quando o ferro e, posteriormente, o aço, substituíram a madeira como elementos principais,

na construção naval, os rebites substituíram os parafusos e pregos, como meios de fixação das

peças estruturais do casco. Posteriormente, foi introduzida na construção naval a soldagem,

sendo empregada também em combinação com o rebitamento. A soldagem contribuiu para o

aumento da produtividade da construção naval, possibilitando a construção de grandes blocos,

fora da carreira. Estes cascos soldados se assemelham aos dos nossos dias com linhas mais

hidrodinâmicas, mais leves e menos desajeitados.

Figura 24: Embarcação romana de junco

Fonte: Diocélio (2007)

35

Figura 25: casco compósito Figura 26: casco de aço

Fonte: Diocélio (2007) Fonte: Diocélio (2007)

Figura 27: casco com rebites Figura 28: soldagem do casco

Fonte:Diocélio (2007) Fonte: Diocélio (2007)

4.2 Atualmente

Os cascos de metal (ferro, aço ou alumínio) são mais finos, mais fortes e mais leves

que os de madeira. Os materiais modernos, como os compostos de fibra de vidro, são ainda

mais leves e, para conseguir um formato ideal, tanto os metais quanto os compostos podem

ser moldados com maior facilidade do que as tábuas de madeira usadas no passado.

Além disso, estes materiais podem manter sua forma e dar apoio a uma

superestrutura sem que seja necessário contar com pesadas vigas estruturais dispostas

horizontalmente na embarcação. Os cascos compósitos são utilizados principalmente nos

iates, enquanto os de metal continuam sendo usados nos barcos grandes; além de mais

econômicos e fáceis de consertar, podem transportar cargas muito mais pesadas. Os barcos

modernos usam solda em vez de rebiques para unir as placas de metal, e costumam ser

construídos com unidades pré-fabricadas.

36

As ligas de alumínio têm três vantagens se comparado com o aço na construção de

navios. Primeiramente o alumínio é mais leve do que o aço (o aço pesa aproximadamente

2.723 tonnes/m3 e o alumínio pesa 7.84 tonnes/m3), é altamente resistente à corrosão e não

tem propriedades magnéticas, a desvantagem porém está em seu maior custo inicial e de

fabricação. Alumínio tem sido usado em navios especiais, incluindo hidrofólios e

particularmente usado em ferries de alta velocidade onde o peso é crucial. O aço é até hoje o

material mais usado na construção de navios devido aos seus benefícios técnicos e

econômicos, adaptabilidade à soldagem, resistência, baixo custo e disponibilidade.

Os compósitos, usados geralmente em iates, não são sensíveis à corrosão, entretanto

a radiação ultravioleta do sol e agentes podem degradar a sua composição. São também não

magnéticos e não podem ser soldados. Em navios grandes são utilizados nos sistemas de

bombeamento pois não conduz eletricidade nem sofre corrosão. Um material sintético de

construção amplamente usado no mundo marítimo é o poliéster de fibra de vidro reforçado

(GRP), sendo principalmente usado em partes do navio onde o peso e propriedades corrosivas

são importantes. Com o uso de um molde, é possível fazer formas complexas. Devido ao alto

custo, GRP são usados geralmente para fabricar partes padronizadas do navio, produzidas em

larga escala, como bombas, portas estanques ou até mesmo cascos de embarcações menores

como bote salva-vidas, botes de resgate rápidos, iates e etc.

37

5 EVOLUÇÃO QUANTO À PROPULSÃO

Propulsion (“Propulsão”) é o mecanismo, ou sistema, necessário para se “vencer” a

resistência imposta pela água e o ar à passagem do navio no meio fluido. O elemento

responsável por desenvolver o empuxo, ou força, necessário para superar a resistência chama-

se propulsor (Propeller ou Thruster).

A força requerida para mover o navio através da água depende da eficiência da

propulsão e a resistência total do navio. A eficiência da propulsão é um fator primordial no

processo de design do sistema de propulsão, visto que a eficiência e o consumo de

combustível do navio estão diretamente relacionados.

5.1 Antiguidade

No Egito, o barco era o meio de transporte mais importante, além de transportar

passageiros e carga, tinham ainda a função de se constituírem em lugares cerimoniais. Esses

barcos utilizavam como meios de propulsão vários remos de popa e vela trapezoidal, e

posteriormente o mecanismo de direção passou a ser de dois remos-leme, acionados por um

timoneiro de pé à frente do poste do leme e a vela passou a ser mais larga do que alta. Este

remo-leme, denominado mais tarde de remo-de-ginga ou alheta, tinha embutido no seu cabo a

cana do leme, ficando preso a um mastro e à popa. O navio era dirigido pelo timoneiro, que

movia lateralmente a cana do leme; esta por sua vez, rodava o cabo do leme direcionando a

sua pá e, consequentemente o rumo do navio.

Com o passar do tempo surgiram as galeras, embarcações cobertas que utilizavam

remos e velas triangulares (vela latina).

Entre os anos 1200 e 1500, os remos-leme foram gradualmente sendo substituídos

pelo leme de madeira, dando um grande impulso à navegação e permitindo o aparecimento

dos grandes navios.

Com o surgimento das máquinas à vapor, navios à vela receberam máquinas e

propulsão por rodas de paletas (roda hidráulica), que geralmente ficavam à meia nau, nos

bordos ou na popa. Esse mecanismo era incômodo e economicamente deficitário, pois

ocupava grande espaço, diminuindo as praças destinadas à carga, além de atrapalhar as

manobras.

38

Posteriormente surgiu a hélice. Em 1827 o austríaco Ressel obteve a patente para o

emprego das hélices, sendo utilizada pela primeira vez em 1829 no navio “Zivetta”, passando

a ser o elemento propulsor predominante até os dias atuais.

Figura 29: Navio Great Eastern com roda de paletas a meia nau

Fonte: Diocélio (2007)

5.2 Atualmente

As primeiras utilizações da propulsão elétrica datam do final do século XIX, onde

algumas embarcações pequenas construídas na Rússia e na Alemanha eram movidas a

baterias.

O hélice foi o mais moderno meio de propulsão desenvolvido. Este sistema consiste

basicamente na interação entre o Motor de Combustão Principal (MCP), linha de eixo e

propulsor, representando o mais caro sistema instalado na praça de máquinas.

39

5.3 Comparação entre a propulsão elétrica e propulsão mecânica

A principal característica da propulsão mecânica é a simplicidade; a da elétrica, é a

flexibilidade. Para chegar à conclusão do tipo de propulsão ideal para a embarcação, deve ser

levado em consideração que tipo de operação o navio vai estar submetido.

No sistema de propulsão mecânico convencional o dispositivo de acionamento

principal a ser empregado, que pode ser uma turbina a vapor, um motor diesel ou uma turbina

a gás, é acoplado diretamente ao eixo propulsor do navio através da engrenagem redutora.

Sendo necessário um diesel-gerador auxiliar, que deve localizar-se separado do sistema de

propulsão, o qual é responsável por fornecer a potência elétrica aos sistemas auxiliares de

bordo. Nas embarcações que utilizam este modelo de propulsão, a rotação do motor diesel é

que define a rotação do hélice, e assim, o motor em algumas condições de operação não atua

na faixa de rendimento ótimo, gerando um inevitável desperdício de combustível.

Já no sistema de propulsão elétrica a eficiência de transmissão é menos sensível à

variação de velocidade do eixo propulsor que no sistema mecânico convencional. Portanto,

nos períodos de operação do navio com velocidades mais baixas, aproximadamente 85% das

atividades de navegação, a eficiência da transmissão elétrica é maior do que a transmissão

mecânica. Tem-se, assim, o grande diferencial positivo para o emprego da propulsão elétrica.

5.4 Vantagens da Propulsão elétrica:

1)Melhor Manobrabilidade

Permite variações suaves, pequenas e precisas na rotação do eixo propulsor, o que é

essencial em situações de reboque e salvamento. Aumenta a manobrabilidade, o que permite

uma segurança maior já que evita acidentes como encalhe de navios ou até mesmo colisão de

embarcações de apoio marítimo com plataformas.

2)Redução do consumo de combustível e emissão de poluentes

Na propulsão mecânica, a velocidade do propulsor está diretamente relacionada

com a do motor diesel devido ao fato de eles estarem ligados por um longo eixo. Como a

40

operação do navio varia e a velocidade exigida para cada situação não garante que o motor

estará na sua faixa de melhor rendimento, o resultado são maiores gasto de combustível e

desgaste mecânico.

O uso da propulsão elétrica afasta esse problema porque permite que os diesel-

geradores trabalhem na faixa de ótimo desempenho, já que os DGs não estão diretamente

ligados aos hélices. Eles alimentam o quadro elétrico principal, que fornece energia para os

MEPs e estes geram o movimento para os propulsores. A variação de velocidade ocorre por

meio de inversores de frequência e, no caso de haver uma maior demanda de energia, mais

geradores são colocados em barra. Ou seja, a propulsão elétrica elimina a relação direta

entre as rotações do motor diesel e a velocidade do propulsor.

A Figura 1 mostra um gráfico de um motor diesel relacionando a potência, o torque

e o consumo específico, mostrando que há uma faixa (no caso, de 1000 a 1500 RPM) em que

há um ótimo rendimento. O fato de trabalhar nessa faixa significa um melhor

aproveitamento do combustível gasto, evitando um consumo além do necessário. Ao

considerar essa diferença, é evidente que é possibilitada a redução da emissão de gases

poluentes na atmosfera, dada a menor quantidade de óleo gasto. A figura 2 aponta que a

propulsão elétrica permite essa redução de poluentes.

Figura 30: Gráfico relacionando a potência,torque e eficiência

Fonte: Bruce (2008)

41

Figura 31: Redução de poluentes com a propulsão elétrica

Fonte:Bruce ( 2008)

2)Redução da tripulação

Por ser mais fácil de sistemas automatizados serem controlados à distância e de

exigirem menos manutenção e intervenção direta do operador, abre precedentes para a

diminuição da tripulação.

3)Flexibilidade de projeto

Além da produção dos equipamentos de forma modular, a eliminação do longo eixo

que liga o motor de propulsão ao hélice permite a distribuição dos componentes de forma a

facilitar a manutenção, possibilitar a otimização do design da embarcação, a descentralização

da aparelhagem e melhor uso do espaço disponível.

4)Redução dos custos de manutenção

5) Redução das vibrações e ruídos produzidos

Desvantagem:

Requer uma corrente muito alta nas situações de manobra e mudança de rotação,

porém pode-se minimizar isto com a utilização de sistemas azimutais.

42

5.5 Tipos de hélice:

1)Passo Fixo

O ângulo das pás não pode ser controlado.

2)Passo Controlável

O ângulo das pás (passo) é controlado por um mecanismo hidráulico dentro do cubo,

não necessitando de caixas inversoras. O impulso é controlado pelo passo do hélice,

permitindo que o navio navegue com sua velocidade mais eficiente.

Esse sistema é mais eficiente, se comparado com o sistema de passo fixo, por se

adaptar às condições de operação que influenciam a curva de carga do motor. Essa adaptação

é feita através de um computador, que calcula essas resistências e mudanças que acontecem

no navio, e por meio de controles eletrônicos ajusta o ângulo de ataque da pá do hélice para

manter a eficiência do sistema de propulsão. A eficiência constante ajuda a aumentar a vida

útil do motor e diminui seus custos de manutenção. Além disso, o nível de ruídos e vibrações

é próximo de zero.

3)Passo Variável

As pás apresentam curvaturas, modificando a área de contato com a água durante a

rotação.

4)Passo Constante

As pás não apresentam curvatura, sendo utilizado em alguns tipos de tunnel

thrusters.

5.6 Sistemas Propulsores:

5.6.1) Azipods

TM

O sistema consiste em um motor de propulsão elétrica no próprio POD e um hélice

de passo fixo diretamente ligado ao motor, se localizando portanto, na parte externa do casco

do navio.

É basicamente um propulsor azimutal, ou seja é capaz de girar 360º em torno de um

eixo vertical direcionando o fluxo de água para qualquer direção, dispensando o uso de lemes,

43

sendo utilizado então um hélice de passo fixo, porém o motor elétrico é conectado

diretamente ao hélice ou propulsor.

Suas vantagens são:

- Dispensa o uso do leme e de hélice laterais, pois gira 360º em torno do seu eixo;

-.Permite mudanças rápidas de direção, logo maior manobrabilidade e desempenho

hidrodinâmico, possuindo com isso excelente desempenho no campo de esteira;

- Projeto de casco mais simples;

- Dispensa longos eixos, caixas redutoras e sistema de governo;

- Menor nível de ruídos e vibrações;

- Melhor distribuição e aproveitamento do espaço no navio;

- Maior segurança e redundância.

5.6.2) Siemens SchottelTM

Desenvolvido na década de 70, era inicialmente acionado mecanicamente, e

introduziu o conceito de POD. Sua capacidade de manobra ainda era ampliada pela

movimentação do POD em azimute, ou seja, 360º, o que garante a eliminação do sistema de

governo. Mais tarde passou a utilizar propulsão elétrica para o acionamento das pás.

Se diferencia dos demais sistemas pelo tipo de carcaça do motor elétrico dos PODs e,

se destaca pela tecnologia Schottel Twin Propeller™ e o motor permanentemente excitado

(PEM) da Siemens, o qual utiliza ímãs permanentes, tal qual nos veículos híbridos.

Figura 32: Propulsores Schottel

Fonte: Schottel (2012)

44

5.6.3) Voith Schneider™

Esse sistema é o único que utiliza propulsão cicloidal em todo o mundo, foi

desenvolvido pela Voith partindo da idéia do engenheiro austríaco Ernst Schneider. A

propulsão cicloidal consiste em propulsores de eixos verticais ou cicloidais e uma série de pás

verticais fixadas à periferia de um disco rotativo.

Atualmente são utilizados 2 discos e seis pás. Esses discos giram em velocidade

constante e, para gerar impulso, cada uma das pás do hélice executa um movimento

oscilatório sobre seu próprio eixo. Através da variação do ângulo de cada lâmina é definido a

intensidade e o sentido da força. Este controle é feito pelo oficial através de um volante e duas

alavancas sendo o movimento transmitido mecanicamente para as pás.

O que difere o sistema cicloidal do sistema de propulsão com hélice de passo

controlável é apenas o posicionamento das pás em relação à força exercida, visto que no

sistema cicloidal as pás estão posicionadas transversalmente ao impulso.

Figura 33: Propulsor Voith Schneider

Fonte:Voith Schneider (2012)

45

Vantagens:

O sistema de propulsão Voith Schneider combina em uma única unidade, governo e

propulsão, dispensando portanto o uso do leme. Além disso, proporciona imediata resposta ao

comando, sendo muito solicitado em embarcações rebocadoras, pois confere uma melhor

manobrabilidade. Devido à rápida transição de direção e intensidade de empuxo, permite que

a embarcação anule o efeito de ondas, tornando-se absolutamente estável.

Desvantagens:

- Grande calado (além das lâminas, há uma estrutura que protege cada propulsor e funciona

como direcionador do fluxo de água), o que impede que a embarcação atinja velocidades

adquiridas com o propulsor azimutal;

- O formato do fundo do casco, reto e largo, pode prejudicar a hidrodinâmica, dificultando a

operação em mar aberto ou em alta velocidade;

- Relação entre tração estática e potência do motor inferior a de outros sistemas de propulsão;

- Maior custo de instalação e manutenção

5.6.4) Tubo KortTM

Foi desenvolvido e difundido por uma empresa inglesa na década de 1930. Consiste

em tubos fixos que envolvem o hélice, organizando o fluxo de descarga e possibilitando um

ganho na tração a vante de até 30%, assim gera um aumento considerável em relação aos

hélices convencionais e por isso são utilizados em rebocadores, PSVs e etc.

Porém por reduzir a capacidade de governo, necessita a associação com lemes mais

eficientes. Ele é originalmente destinado a embarcações de baixa velocidade, como

rebocadores.

46

Figura 34: : A hidrodinâmica do Tubo KortTM

Fonte: Bruce (2008)

5.6.5) Tunnel Thrusters

Consistem em túneis localizados na proa ou na popa da embarcação abaixo da linha

d’água (bowthrusters e Stern thrusters respectivamente), composto de motor e hélice, auxilia

na manobra, proporcionando impulsos laterais que facilitam a atracação/desatracação nos

portos e as manobras durante operações com plataformas de petróleo. Inicialmente os

Thrusters eram acionados por motores diesel, porém atualmente utilizam motores elétricos.

Proporciona controle preciso a baixas velocidades em pontes e canais estreitos e

rasos, por isso são utilizados em todo o mundo em operações que necessitam de navios

commanobras precisas. Uma outra vantagem é a possibilidade de manutenção sem a

necessidade de docagem em dique seco.

47

Figura 35: Tunnel Thrusters

Fonte: Gerk (2012)

5.6.6) Propulsor com jato de água

Seu funcionamento se baseia no princípio de operação de uma bomba centrífuga. Um

rotor aspira a água da parte debaixo do casco do navio e a transfere para uma voluta. As

aberturas de saída de água estão dispostas na parte inferior do propulsor que fica tangente a

linha de base do casco sendo, dessa forma, ideal para a instalação em embarcações que

operam em águas rasas. O princípio é semelhante ao do hélice, no entanto suas partes móveis

estão dentro do navio.

A eficiência é significantemente inferior à dos hélices devido às perdas na tomada de

água e condutas, além da entrada de lixo no coletor de água, por essa razão é mais vantajoso o

seu emprego em águas rasas e é mais utilizado em embarcações rápidas como hidrofólios.

Figura 36: Propulsor com jato de água

Fonte: Bruce (2008)

48

6 A HIDRODINÂMICA DO NAUFRÁGIO DO TITANIC

O naufrágio do Titanic ocorrido em 1912 no Atlântico Norte, foi o maior desastre

marítimo da história. Este navio foi o maior objeto móvel construído na época.

Será analisado neste trabalho os aspectos de construção do Titanic que, sob o ponto

hidrodinâmico, explicam o acidente e consequente naufrágio deste. Essa análise é de suma

importância, pois através dela pode-se constatar a gradual evolução da construção de navios e

os seus benefícios, em segurança, eficiência, economia e etc.

Os aspectos do Titanic a serem discutidos serão:

6.1) Casco

O casco do Titanic, como os navios da época, foi construído de chapas de aço

rebitadas. Esses rebites aumentam a rugosidade do casco e, consequentemente aumentam a

resistência viscosa, que é um dos componentes do arrasto, diminuindo assim a velocidade de

cruzeiro.

O formato do casco era tradicional para um navio tão grande, além de não possuir

nenhum recurso para minimizar a resistência de onda, como o bulbo de proa.

Os rebites eram feitos de ferro fundido porque não havia tecnologia de aço em 1912.

Esses rebites analisados a microscópio revelaram ser uma estrutura metalográfica totalmente

contaminados por uma espécie de escória, o que dava uma fragilidade ao metal,

principalmente a baixas temperaturas. Por essa razão, os rebites não resistiram ao golpe da

colisão com o iceberg e à pressão estática da profundidade à qual o navio estava, e se

soltaram, fazendo com que o casco ficasse literalmente sem placas, permitindo assim, que a

água pudesse entrar.

A colisão com o iceberg não ocorreu na proa do navio e sim à boreste, fazendo um

rasgo. Então pode-se concluir que se os rebites não tivessem se soltado, havendo somente um

rasgo na sua lateral, o Titanic teria ficado emerso por mais tempo, podendo conseguir socorro

durante o dia, e a tragédia não teria tido tal proporção.

49

Figura 37: Casco rebitado do Titanic

Fonte: National Geographic

6.2) Leme

O leme utilizado pelos navios da época era em forma de placa, e por isso não tinha

resposta rápida à guinada, precisando de um deslocamento maior para guinar, não

conseguindo assim, mudar a direção a tempo.

Figura 38: Leme do Titanic

Fonte: National Geographic

50

6.2.1)Perfil do Leme:

O arrasto é uma força paralela ao fluxo de ar, que acontece devido ao formato do

objeto que interage com o fluxo, e ao atrito do fluido com a superfície deste. A soma da

sustentação com o arrasto origina a resultante aerodinâmica. Logo, a eficiência aerodinâmica

de um perfil pode ser calculada dividindo-se a sustentação pelo arrasto (L/D).

Observa-se pela figura abaixo que um formato mais afinalado terá um menor

coeficiente de arrasto, e portanto menor resistência ao avanço.

Figura 39: Perfis de leme

Fonte: Clark (2005)

O ângulo de ataque é o ângulo da asa em relação ao ar que se aproxima e por isso

determina também a sustentação que a asa gera. Quando atinge o ângulo de ataque máximo,

ocorre o STALL, ou seja a sustentação cai drasticamente e o arrasto aumenta.

A razão de aspecto é dada pela razão corda/ altura da asa, ou neste caso do leme.

51

Figura 40: Razão de aspecto e ângulo de STALL

Fonte: Clark (2005)

Em 1912 ainda não havia o conhecimento do Efeito Asa, em que o leme sendo em

forma de asa, é mais eficiente, pois as grandes diferenças de pressão ocorrem até 50% da

corda, gerando uma maior força de guinada. Sendo o leme do Titanic em forma de placa, o

bordo de ataque era rombudo e com isso não possuía rápida resposta na mudança de direção.

Atualmente o perfil de leme utilizado por ser mais eficiente é aquele com perfil

NACA ou fishtail. NACA aerofólios são formatos aerofólicos desenvolvidos pela National

Advisory Committee for Aeronautics (NACA), onde o formato do leme ou asa é descrito

usando uma série de dígitos seguidos da palavra NACA. A série recomendada atualmente é a

NACA 0015.

Figura 41: Secções NACA 0015

Fonte: NACA (2010)

52

A figura a seguir mostra o FiolSlim Simulator, onde observa-se que as grandes

diferenças de pressão ocorrem até 50% da corda e a melhor performance do leme aerofólio.

Figura 42: FoilSlim Simulator

Fonte: Dokkum (2008)

O leme empregado no Titanic além de não ser NACA também não possuía nenhum

dispositivo moderno, como os mostrados a seguir.

6.2.2) Flaps

Os flaps são dispositivos hiper-sustentadores, superfícies articuladas, existentes nos

bordos de fuga (parte posterior) das asas de um avião, os quais, quando abaixados e/ou

estendidos aumentam a sustentação e o arrasto ou resistência ao avanço de uma asa pela

mudança da curvatura do seu perfil e do aumento de sua área.

Com esse dispositivo aumenta-se a força de guinada do leme.

53

Tipos de Flap:

Figura 43: Tipos de Flap

Fonte: Bruce (2008)

6.2.3) Slats

Slats são superfícies aerodinâmicas sobre o bordo de ataque das asas de uma

aeronave de asa fixa, que quando implantadas, permitirão que a asa funcione com um maior

ângulo de ataque. Um maior coeficiente de sustentação.

Figura 44: Slats e Flaps

Fonte: Clark (2005)

54

6.3) Velocidade

No momento da colisão com o iceberg, o navio estava navegando a uma velocidade

acima da que foi testada em provas de mar, com todas as caldeiras em operação, além de não

ter sido realizado nenhum ensaio deste em águas geladas. Portanto, conclui-se que não havia

uma previsão do que pudesse acontecer em tais situações.

55

7CONSIDERAÇÕES FINAIS

Após a análise das modificações sofridas pelas embarcações desde a antiguidade, é

possível concluir que o conhecimento resultado da pesquisa, é o fator primordial para o

desenvolvimento do navio como um todo, pois foi através do conhecimento dos princípios

hidrodinâmicos, que o homem pôde desenvolver a tecnologia existente hoje nos navios, que

jamais poderia ter sido imaginada na antiguidade. É necessário compreender a interação das

partes do navio com a água para criar mecanismos que impulsionem o seu deslocamento,

diminuindo resistências, otimizando o casco, aumentando a eficiência do sistema de propulsão

empregado, dentre outros fatores.

É essencial também o entendimento das causas de acidentes ocorridos, para saber o

que deve ser modificado e o que deve ser mantido em termos de equipamentos, além de criar

soluções para transpor as barreiras existentes ainda nos dias atuais.

Em suma, é primordial que se conheça o passado, para entender o presente e poder

planejar o futuro. Logo, ainda que as embarcações utilizadas no passado fossem rudimentares

ou inferiores a tecnologia existente hoje, é preciso conhecer a história marítima para saber o

que deve permanecer e o que deve ser aprimorado.

56

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

DOKKUM, Klaas Van. Ship Knowledge. 3 ed. São Paulo: Dokmar, 2008

CLARK, I. C. Ship Dynamics for Marines: a guide to the theory of hull resistance power

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